手持式花椒采摘机械的现状及发展趋势

卢营蓬，易文裕，熊昌国，庹洪章，王 攀

（四川省农业机械研究设计院，四川成都610066）

花椒是中国的原生植物和特色经济物种，种植地区遍及黄河和长江中上游的20 多个省（区），其中以四川、甘肃、陕西等省种植面积居多。花椒树耐贫瘠，在我国平原和海拔2 500 m 以下丘陵山地均可良好生长，作为引导农民增收致富的新经济增长点，花椒种植在农业产业结构调整和农业产业脱贫中广泛推广，种植面积迅速扩大。

采摘是花椒种植用工量最大的环节，约占花椒生产全过程的33%～55%[1]，每年的6—8 月是花椒采摘期，椒园里呈现万千椒农采椒忙的景象。为实现花椒高效采摘，研究人员试验了高枝剪切、化学药剂喷洒、机械振动、负压吸收等多种方法，但受制于花椒树多刺、果实分布杂乱、油胞易破损的生物学特性以及大部分椒园宜机性差的农艺条件，导致高效大规模的采收方法难以大范围推广。当前我国花椒仍以手工采摘为主，但传统掐摘不仅效率低下，还极易伤手，为此一些便携手持式花椒采摘机械得以开发，极大减轻了椒农劳动强度，采摘效率也得到一定提升，为缓解花椒采摘难题提供了一定帮助。

1 花椒机械化采摘的必要性

1.1 手工采摘效率低、成本高、劳动强度大

花椒采摘是极为费时费力的环节，由于花椒树枝条散乱、果实杂乱无序，使得人工采摘效率低下，劳动力成本高。2019 年花椒人工采摘费用约4～6元/kg，采摘效率约20～50 kg/d，总收获费用已近产值的1/3，极大制约了花椒产业的发展。而花椒几乎全树带刺，茎和枝长有皮刺，叶轴有刺突，叶柄及小叶生有小刺，手工采摘容易划伤手臂和扎伤手指，且花椒油胞易破损，长时间采摘易使指甲缝在花椒刺激下出现麻疼感，高强度、易受伤的手工采摘进一步加剧了农村劳动力缺乏与用工需求增加之间的矛盾。

1.2 种植规模扩大急需提高采摘效率

近年来，得益于农业产业发展、市场需求拉动、扶贫产业实施、退耕还林工程建设等各方面的综合推动，我国花椒种植面积迅速扩大，全国种植面积约167 万hm2，并且种植面积每年以20%～30%的速度增加[2]。大面积的花椒种植，使得用工量迅速增加，尤其在6—8 月的采收期，采摘工人的需求激增，陕西韩城地区每年出现“10 万椒客到韩城”的景象[3]。若不能在收获期正常采收，不仅产量降低还影响花椒品质，采摘过早，果皮薄且色暗，果仁含油量低，品质差，产量降低；采摘过晚，果实干裂落仁，果穗脱落[4]；采摘不及时，阴雨天气将导致落果甚至霉变。若不提高花椒采摘效率，难以化解用工需求增加与劳动力短缺的矛盾，极大影响椒农种植积极性。

1.3 采摘是花椒生产机械化的瓶颈

随着农村劳动力的逐年减少，花椒生产的机械化是必然趋势。除采摘环节外，椒园耕整地、施肥、植保、修剪、产后加工等环节机械化实现难度低，有现成可用或方便改进的农业机具，可基本满足作业和加工要求。但花椒树形散乱，全树带刺，易因油腺破裂影响品质，这些生物学特性大大增加了机械采摘难度，制约花椒生产过程机械化水平的提高。只有实现机械采摘，提高采摘效率，减轻椒农劳动强度，节约人工成本，提高花椒生产过程机械化水平，才能破解制约花椒产业发展的瓶颈难题。

1.4 机械采摘有利于花椒产业长期稳定发展

从2013 年开始，花椒价格不断上涨，2016 年突破100 元/kg，2018 年受主产区霜冻影响，价格涨至120 元/kg，价格上涨推动花椒种植热情高涨，导致种植面积大规模增加。但花椒种植投入大、见效慢，椒农总结为 1 年种植，3 年挂果，5 年盛果，待新增产量上市供应后，不可避免会冲击花椒价格，甚至出现供过于求、“低价伤农”的现象。实现机械采摘，降低种植成本，提升规模效应，是应对跟风种植冲击花椒行业的良好手段，有利于花椒产业长期稳定发展。

2 手持式花椒采摘机械发展现状

20 世纪80 年代，为改善花椒采摘费时费力的现状，椒农开始自制简易花椒采摘工具来代替人工掐摘[5]，研究人员也着手研发花椒采摘机械，1994年叶全民等设计了一种针对顶生小果实的采集机，对花椒采摘头的设计进行了具体描述[6]；2006年田安乐等设计了一种花椒采摘器，由采摘头、6 W电机、收集器、6 V 电池和操作手柄组成，整机质量低于3 kg，工作时由采摘头的旋转刷与机壳产生的拖拉力使椒穗与树枝分离[7]；2007 年陕西韩城市伟山机械厂推出了新型手枪式花椒采摘器，并经过多次的改进优化，在陕西地区的大红袍花椒采摘应用较广。此后，各种型式的花椒采摘机械不断研制成功和上市，根据刀头型式分类，当前的手持式花椒采摘机械可分为锯齿式、剪刀式、旋转式3 大类。

2.1 锯齿式花椒采摘机械

锯齿式手枪形花椒采摘机，有双刀口（见图1-a）和八面刀口等型式（见图1-b），由减速电机、动力传动机构、刀片组合、电池、电源开关和机壳组成。双刀口型式的刀口排列方向与手柄方向垂直，刀片组合包括一组定刀片与动刀片，定刀片有2 个“U”形剪口，动刀片有1 个“U”形剪口，传动机构包括圆柱形动力传动轮和连杆，动力传动轮安装在减速电机输出轴上，连杆连接动力传动轮与动刀片，带动动刀片往复运动，与定刀片形成锯齿式双刀口切割动作。

八面刀口的刀片组合包括中间定刀片、上动刀片和下动刀片，中间定刀片呈“十”字形，横竖方向的两侧均分布有“U”形剪口，上动刀片与定刀片竖方向重合，两侧均分布“U”形剪口，下动刀片与定刀片横方向重合，两侧均分布“U”形剪口，传动机构包括传动齿轮组、倒向齿轮组以及上下动刀片对应的连杆和动力传动轮，传动齿轮组的主动轮与电机输出轴连接，一路动力经传动齿轮组的主动轮通过上动力传动轮和上连杆传递至上动刀片，另一路动力经传动齿轮组的从动轮通过倒向齿轮组、下动力传动轮和下连杆传递至下刀片，最终上动刀片竖方向的往复运动与下动刀片横方向的往复运动与定刀片之间形成4 个方位共8 个面的切割动作[8]。

电池安装有内置和外挂2 种型式，内置电池使采摘头操作更灵活，不受电源线的束缚，但重量相应增加，且电池容量较小，续航能力受限。外挂电池将电池挎在腰间，不仅减轻采摘头重量，还可采用更大容量的电池，增加续航。

锯齿式手柄形花椒采摘机，有单面刃（见图2-a）和双面刃2 种型式（见图2-b），双面刃型式在刀口的两侧均开有刃口，2 个方向均可进行切割，提高了采摘效率。采摘机由电机、传动机构、刀片组合、电源开关、机壳、外挂电池组成，刀片组合由两片相同的定刀片和安装在定刀片中间的动刀片组成，动刀片开有多个尖齿，定刀片开有多个“U”形口，为动刀片切割提供支撑。传动机构为蜗轮蜗杆组合以及连杆，蜗杆固定在电机轴上，连杆一端固定在蜗轮的偏心位置，另一端与动刀片连接，将蜗轮的旋转运动转化为动刀片的直线往复运动。

2.2 剪刀式花椒采摘机械

剪刀式手枪形花椒采摘机（见图3），采摘动作模拟剪刀剪切，刀片组合为动刀片和开有“V”形口的定刀片。采摘机结构主要包括电机、传动机构、刀片组合、电源开关、电池、机壳，传动机构由蜗轮蜗杆和连杆组成，电机的动力依次经由蜗杆、蜗轮、连杆传递至动刀片，带动刀片组合剪切花椒椒柄。

2.3 旋转式花椒采摘机械

旋转式带收集的花椒采摘机（见图4），由电机、刀片、电源开关、机壳、外挂电池组成。刀片为柳叶形，直接安装在电机输出轴上，刀片的一端为直线刃口，另一端为齿形刃口。箱形机壳的下方开有可加装收集装置的圆形口，采摘机工作时，将刀片靠近花椒椒柄，切断后的果实沿着机壳内壁滑下，进入收集装置。

旋转式手柄形花椒采摘机（见图5），由电机、刀片、传动机构、电源开关、机壳、外挂电池组成。采用圆盘锯式刀片，刀片上方的机壳顶部有鹰钩形突出，既可勾夹花椒椒柄，又可作为刀片的切割支撑。传动机构为一对锥齿轮组，主动轮与加长的电机输出轴连接，动轮与刀片固定，从而将电机的水平旋转调整为刀片的竖直旋转。

3 手持式花椒采摘机械参数对比

各种型式的手持式花椒采摘机参数对比如表1所示。

采摘头的重量是手持式采摘装备的一个重要参数，直接影响到椒农采摘的劳动强度，采摘头应符合轻简化设计要求，使用起来尽量轻巧灵活。对比表1中各型采摘机，重量最大的产品是锯齿式手枪形双刀口花椒采摘机，采摘头重量为523 g，重量最小的产品是锯齿式手柄形单面刃花椒采摘机，采摘头重量仅164 g，作业时非常轻便。而电池外挂的采摘机将电池重量转移到腰间，所以相比电池内置的产品有明显的重量优势。

表1 手持式花椒采摘机参数对比

花椒树全身带刺、枝条散乱、果实分布杂乱无序，因此花椒采摘机要能轻松进入椒树，并灵活切换方位靠近椒柄，必须要有细长的外形。根据表1，外形尺寸与刀片型式无关，主要受采摘机结构型式影响，手柄形采椒机的外形尺寸相比手枪形采摘机在宽度和高度方向的尺寸更小，外形尺寸更适合采摘作业。

切口长度是刀片组合在各个方向上进行切割作业的总长度，切口越长，切割范围越广，更容易对准花椒椒柄，提高采摘效率，但切口过长易伤枝伤果，因此切口长度的选择要综合考虑这两方面的因素。根据表1，不同的刀片型式对切口长度影响较大，锯齿式刀片便于进行不同方位和长度的扩展，因此切口长度最长，表1 中锯齿式手枪形八面刀口采摘机，8 个方位的总切口长度达200 mm，可在多个方位进行作业；剪刀式刀片组合受制于剪切动作的结构，所以切口长度最短，表1 中剪刀式手枪形采椒机的切口长度仅10 mm，对准椒柄剪切的效率较低；旋转式刀片的切口长度与刀片的直径成正相关，与护罩大小呈负相关，长度介于锯齿式和剪刀式之间。

便捷性是考虑采摘头重量、外形尺寸和切口长度的综合参数，采摘头重量轻、外形细长、切口长的采摘机便捷性最好。对比表1 中各型采摘机，锯齿式手枪形八面刀口具有采摘机切口长优势，锯齿式手柄形双面刃采摘机采摘头具有重量轻、外形细长、切口较长的优势，旋转式手柄形采摘机采摘头具有重量较轻、外形细长的优势，便捷性均较优。

花椒采摘机在野外工作，续航也是影响采摘效率的一个重要因素，外挂电池相比内置电池在续航上有明显优势，不仅可以采用容量大的电池，还便于更换，节省更换电池的时间。

4 手持式花椒采摘机械存在的问题及发展趋势

4.1 采摘效率不高

当前的手持式花椒采摘机械实现了以机械采摘代替手工掐摘，保护采椒工人免受刺伤与椒麻，降低了劳动强度，但采摘效率未有明显提升。由于不适应花椒树形散乱、果实分布杂乱、椒柄短且与枝叶和花芽距离近的农艺条件，采摘时出现不能深入椒树靠近椒柄、刀口对准椒柄难、调整刀口方位不便、未固定椒柄采摘时退让等问题，导致操作不便，采摘不灵活，效率不高，甚至不及手工掐摘，导致部分椒农宁愿手采也不使用采摘工具。

手持式采摘工具应遵循“轻简灵活、操作方便、安全高效”的设计理念，适应花椒树树形、枝叶和果实分布、花椒生长过程等生物学特性，具有便于进入椒树和手持操控的外形，能多方位、多角度靠近以及勾夹花椒椒柄的刀头，在保护椒农操作的同时提高采摘效率。也可设计集果装置，采摘后随即收集椒果，不仅减少捡果量，节约集果时间，还能减少花椒摔落导致油胞破裂对品质的影响。

4.2 对花椒树保护作用不强

各种型式的手持式花椒采摘机械，在靠近椒柄以及锯、剪、割工作时，难以避免伤枝、伤叶、伤果。若损伤枝条上的芽孢，将影响椒树的来年产量，若触碰果实，易破坏果实油胞，降低花椒品质。

为尽可能在采摘时避免伤枝、伤叶、伤果，应优化手持式花椒采摘机械的刀口设计。花椒椒柄直径范围约1～3 mm，质地嫩脆，切割强度要求低，可设计具有多方位、多角度切割面的小巧型刀口结构，保证操作灵活性的同时避免接触椒树的其他部位；也可设计可调的刀口保护装置，在靠近椒柄前遮蔽刀口保护椒树，在对准椒柄时露出刀口切割椒柄，这种设计也能提高安全性，避免误操作伤人。

4.3 农机与农艺融合不深

花椒高效机械采摘实现难度极大，原因在于极其复杂的农艺条件。花椒树形散乱、全身带刺，果实分布杂乱、成簇粒数不一、椒柄短、油胞易破裂，椒园多建在丘陵山地，导致宜机性差，当前手持式花椒采摘机械以农机适应农艺，难度大且成本高，机械化优势不明显，采摘效率难以显著提高，难以广泛推广应用。

农机与农艺深度融合是花椒生产机械化的必然趋势，有序的枝条生长、一定规律的果实分布、高标准宜机化建园、避开直接采果的生产技术均可降低花椒机械化采摘难度，提高花椒生产效率。四川多地青花椒生产采用伐条、剪果或伐条、烘干、脱粒的工艺流程，避开了效率低下的树上摘果环节，剪果和脱粒后的枝条还可用作直接燃料或制备生物质燃料，取得了经济和生态双重效益。